大气激光通信中的完全光广义空间调制

王惠琴; 杨顺信; 张悦; 包仲贤

doi:doi:10.3788/AOS202040.1301001

光学学报, 2020, 40 (13): 1301001, 网络出版: 2020-07-09

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Fully Optical Generalized Spatial Modulation in Atmospheric Laser Communication

论文大纲

王惠琴 ^*杨顺信张悦包仲贤

作者单位

兰州理工大学计算机与通信学院, 甘肃兰州 730050

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摘要

现有光空间调制由于其传输速率与激光器数量呈对数关系,导致空间资源的利用率较低。因此,提出了一种完全光广义空间调制(F-OGSM)方案,该方案通过激活不同数量的激光器来传递信息,使传输速率和激光器数量之间呈线性关系。同时,为了充分利用激光器所有可能的组合,采用基于信道范数最大化选择算法完成了激活激光器的选择,有效改善了系统的误码性能。最后,利用蒙特卡罗仿真方法比较了F-OGSM以及现有光空间调制的性能。结果表明:相对于广义空间脉冲幅度调制而言,在激光器数量和调制阶数均为4时,F-OGSM系统的传输速率增加了1 bpcu;当误码率为1×10 ^-3时,采用激光器选择算法后F-OGSM系统所需信噪比改善了4 dB。可见,F-OGSM作为一种高速率的调制技术非常适用于未来大气激光通信。

Abstract

Owing to the logarithmic relation between the transmission rate and number of lasers of existing spatial modulation, the usage of spatial dimension is low. To address this challenge, a fully optical generalized spatial modulation (F-OGSM) system was proposed, in which different number of lasers was activated for transmitting information to achieve a linear relation between the transmission rate and number of lasers. Furthermore, to fully utilize all combinations of lasers, the channel norm maximization selection algorithm was used to select the active lasers, which effectively improved the system bit error rate(BER,R_BE) performance. Moreover, the Monte Carlo simulation method was used to compare the performance of F-OGSM and existing optical space modulation schemes. When both the number of lasers and modulation order were 4, the transmission rate of the F-OGSM system increased by 1 bpcu compared with the generalized spatial pulse amplitude modulation. When R_BE=1×10 ^-3, the required signal-to-noise ratio of the F-OGSM system improved by 4 dB after using the laser selection algorithm. Conclusively, the proposed F-OGSM system exhibits a high-speed scheme that is particularly suitable for future atmospheric laser communications.

1 引言

光空间调制(OSM)^[1]作为一种新型的光多输入多输出(OMIMO)^[2]技术,不仅采用传统数字调制星座(即信号域)传递信息,还通过激光器索引(即空间域)额外携带信息。这样一来,激光器不仅是形成无线链路的媒介,而且还承载着信息本身。所以,它为提高系统的传输速率提供了一种有效的措施。鉴于此,学者围绕如何设计高效的光空间调制展开了广泛研究^[3-11]。

早期的研究主要关注室内可见光通信领域,如:文献[ 3-4]采用脉冲幅度调制(PAM)构建了光空间调制方案,通过提高频谱效率实现了传输速率的提升;文献[ 5-6]利用脉冲位置调制(PPM)构建了光空间调制方案,获得了较好的误码性能;文献[ 7-8]分别采用PAM和PPM调制,通过同时激活少量的激光器,构建了光广义空间调制(OGSM),该系统大大提升了系统的传输速率,同时打破了激光器数量必须为2的整数次幂的限制。后来,研究者围绕室外大气激光通信中的空间调制展开了研究,如:文献[ 9]将OSM和脉冲位置幅度调制(PPAM)相结合,构建了一种适用于大气激光通信的空间调制方案;文献[ 10]分析了大气湍流和瞄准误差共存条件下光空移键控(OSSK)系统的性能;文献[ 11]构建了一种差分光空间调制,并分析了其在Gamma-Gamma和负指数信道模型下的误码性能。

上述文献各具特色,但传输速率与激光器数量之间均呈对数比例关系,这使得系统传输速率的提升受限。为此,在激光器总数不变的情况,通过充分利用所有可能的激光器组合,提出了一种完全光广义空间调制(F-OGSM)方案,进一步改善了系统性能。

2 F-OGSM系统模型

目前已有的光空间调制主要有光空间调制(OSM)、光广义空间调制(OGSM)、光空移键控(OSSK)以及光广义空移键控(OGSSK)等。其中,OSSK和OGSSK分别是OSM和OGSM系统的一种简化形式^[10,12],即只利用激光器索引传递信息。

在OSM^[3-4]和OGSM^[7]系统中,同时利用激光器索引和传统调制符号来传递信息,只是激活激光器的数量不同而已。在OGSM系统中,由于有少量的多个激光器(N_u≥2)被同时激活,故相对于传统的OSM系统而言,OGSM系统可承载更多信息。假设同时激活N_u个激光器,此时OGSM系统的传输速率为

R_{OGSM} = floor [lb (C_{N t}^{N u})] + l b L, (1)

式中:floor(·)表示向下取整;N_t表示激光器数; $C_{N t}^{N u}$ 表示组合数;L表示PAM的调制阶数。由于OSM系统仅激活了一个激光器,故可以看成是OGSM系统的特例,即N_u=1。

由(1)式可见,以上4种系统的传输速率与激光器数量或者激活激光器组合的对数之间呈正比例关系,限制了传输速率的进一步提高。因此,在激光器总数不变的情况下,充分利用所有可能的激光器组合提出了F-OGSM系统,其系统模型如图1所示。

在图1中,假设系统中有N_t个激光器,N_r个探测器,且发射端每次激活N_u(N_u=1,…,N_t)个激光器,所以从N_t个激光器中激活N_u个的备选组合数有 $\overset{N t}{\sum_{N u = 1}} (\begin{array}{l} N_{t} \\ N_{u} \end{array}) = 2^{N t} - 1 种。$ 由于所使用的激光器组合数必须为2的整数次幂,因此只需从2^N^t-1种备选组合中选取其中的 $G = 2^{lb (2^{N t} - 1)} = 2^{N t} - 1$ 种即可。当激活激光器选择好后,可将PAM调制符号同时加载在激活激光器上进行传递。

图 1. 基于激光器选择的F-OGSM系统模型

Fig. 1. F-OGSM system model based on laser selection

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在该系统中,由于激光器子集从仅激活一个激光器变化为激活多个或者激活所有激光器,因此激光器索引携带的信息比特为 $floor [lb (\overset{N t}{\sum_{N u = 1}} C_{N t}^{N u})] 。$ 假设采用L阶的PAM调制,则每个PAM调制符号携带lb L比特信息。因此,其传输速率为

R_{F ⁃ OGSM} = floor [lb (\overset{N t}{\sum_{N u = 1}} C_{N t}^{N u})] + lb L = N_{t} - 1 + lb L 。 (2)

由(2)式可看出,F-OGSM系统的传输速率与激光器数量呈线性关系,故系统的传输速率得以显著提高。但是再当仔细观察该方案的备选集合时,发现集合中存在一定的冗余,即2^N^t-2^N^t-1-1种冗余组合未被采用;而且当N_t值越大,其冗余也越多。所以,如何从备选集合中合理地选取组合是关键。目前已有的光空间调制方案大多都是采用随机选择的方法来选取激光器组合,这在某种程度上限制了系统的误码性能。值得注意的是,大气是一个时变的衰落信道,也就是说,光信号经过不同子信道时所受的影响不同。所以,本文依据当前信道状态的好坏来选取激活激光器的组合,即采用基于信道范数最大化的方法来选取激活激光器,可明显降低系统的误码率。

2.1 激光器选择

射频中常用的天线选择技术是根据当前信道状态信息来选择某时刻激活的天线子集,并以此来改善系统的误码性能。经典的天线选择算法有最大化最小欧氏距离、最大化信道容量以及最大化信道范数等^[13]。其中,前二者需要遍历所有的天线子集,矩阵计算较多,导致其具有较高的复杂度,限制了其在实际中的推广和应用。所以本文引入天线选择算法,并采用最大化信道范数的方法来选择激活激光器。

基于信道范数最大化选择算法的基本思想是:选取信道范数最大的子信道来传递信息,其本质是接收信噪比(SNR,R_SN)最大。其对应的选择算法为

{\hat{H}}_{p} = \underset{p \in P}{argmax} ‖ H_{p} ‖_{F}, (3)

式中:P表示所有可能的激光器子集构成的集合;p表示根据算法选择的激光器子集构成的集合;‖·‖_F表示F-范数。可以看出,该算法只需考虑信道矩阵H_p对应的列向量的范数,不需要穷举所有的激光器子集。因此,该算法具有极低的计算复杂度。

2.2 信号的映射

假设已知接收端当前的信道状态信息,那么,接收端可根据当前的信道状态信息和激光器选择算法(LSA)选出合适的激光器组合,并制定相应的映射规则,然后通过一条高质量的反馈链路通知发送端。发送端激活已选择的激光器并利用该激光器组合发送数据。若此时输入的二进制比特流为b,经串并转换后分为b₁和b₂两部分。其中:b₁被映射为系统中激活激光器的索引,其映射关系可以用一个N_t×1维的向量x_Laser来表示,即x_Laser= ${[\dots, 0, \dots, \underset{\underset{e}{↑}}{1}, 0, \underset{\underset{f}{↑}}{1}, \dots]}^{T}$ ,其中1≤e<f≤N_t,非零元素的位置表示激活激光器的索引, ${[\cdot]}^{T}$ 表示转置运算;b₂被映射为传统L-PAM调制星座图中的某个调制符号,其映射关系可以表示为x_PAM=I_l= $\frac{2 I_{o}}{(L + 1)}$ l,1≤l≤L,其中,I_o表示发送L-PAM调制符号的平均光强。假设发送端采用平均功率分配机制,当激活激光器的数量为N_u时,每个激活激光器的发送功率为总功率的1/ $\sqrt[]{N_{u}}$ 倍。此时F-OGSM系统的发送信号可表示为

x = \frac{1}{\sqrt[]{N_{u}}} x_{Laser} x_{PAM}, x \in C_{N t \times 1}, (4)

其中,发送的总功率满足E(xx^H)=1, ${[\cdot]}^{H}$ 表示共轭转置运算。假设系统的传输速率为3 bpcu(bpcu指每信道中传输的比特数),其中激光器数N_t=3、调制阶数L=2,且当前信道状态矩阵为

H = [\begin{array}{l} 1.1461 & 1.0498 & 1.1447 \\ 3.3309 & 0.9869 & 0.9988 \\ 0.2209 & 0.1754 & 0.7449 \\ 0.4478 & 0.6164 & 0.1135 \end{array}] 。 (5)

此时,F-OGSM系统中所有激光器组合的备选集合为P={(1),(2),(3),(1,2),(1,3),(2,3),(1,2,3)},计算所有可能组合的信道范数,并利用选定的天线选择方法选取范数最大的2^N^t-1=4种激光器组合来传递信息,即p={(1,2,3),(1,3),(1,2),(1)}。此时对应的映射规则如表1所示。

2.3 信号的检测

发送端的信号调制完成之后,该调制信号经大气信道后由光探测器接收。设光探测器的输出信号为

Y = ηHx + n, Y \in C_{N r \times N t}, (6)

式中:n∈C_N_r×_N_t是均值为零、方差为 $σ_{n}^{2}$ 的加性高斯白噪声;η是光电转换效率;H是N_r×N_t维的信道衰落矩阵,其元素h服从对数正态分布。在对数正态湍流模型中,其信道衰落系数h的概率密度函数为

f_{H} (h) = \frac{1}{h σ \sqrt[]{2 π}} \exp [- \frac{{(\ln h - μ)}^{2}}{2 σ^{2}}], (7)

式中,对衰落强度归一化,即E $[h]$ =1,则均值μ=-ln(1+ $σ_{SI}^{2}$ ),方差σ²=ln(1+ $σ_{SI}^{2}$ )。其中, $σ_{SI}^{2}$ ∈ ${[0.4 ~ 1.0]}^{[14]}$ 表示信道衰落变化的闪烁指数。

表 1. 基于激光器选择算法的F-OGSM映射

Table 1. F-OGSM mapping based on laser selection algorithm

Input bits	Laser index mapping signal	PAM modulation mapping signal	Transmit signal vector
000	${[\begin{array}{l} 1 & 1 & 1 \end{array}]}^{T}$	2/3	${[\begin{array}{l} \frac{2 \sqrt[]{3}}{9} & \frac{2 \sqrt[]{3}}{9} & \frac{2 \sqrt[]{3}}{9} \end{array}]}^{T}$
001	${[\begin{array}{l} 1 & 1 & 1 \end{array}]}^{T}$	4/3	${[\begin{array}{l} \frac{4 \sqrt[]{3}}{9} & \frac{4 \sqrt[]{3}}{9} & \frac{4 \sqrt[]{3}}{9} \end{array}]}^{T}$
010	${[\begin{array}{l} 1 & 0 & 1 \end{array}]}^{T}$	2/3	${[\begin{array}{l} \frac{\sqrt[]{2}}{3} & 0 & \frac{\sqrt[]{2}}{3} \end{array}]}^{T}$
011	${[\begin{array}{l} 1 & 0 & 1 \end{array}]}^{T}$	4/3	${[\begin{array}{l} \frac{2 \sqrt[]{2}}{3} & 0 & \frac{2 \sqrt[]{2}}{3} \end{array}]}^{T}$
100	${[\begin{array}{l} 1 & 1 & 0 \end{array}]}^{T}$	2/3	${[\begin{array}{l} \frac{\sqrt[]{2}}{3} & \frac{\sqrt[]{2}}{3} & 0 \end{array}]}^{T}$
101	${[\begin{array}{l} 1 & 1 & 0 \end{array}]}^{T}$	4/3	${[\begin{array}{l} \frac{2 \sqrt[]{2}}{3} & \frac{2 \sqrt[]{2}}{3} & 0 \end{array}]}^{T}$
110	${[\begin{array}{l} 1 & 0 & 0 \end{array}]}^{T}$	2/3	${[\begin{array}{l} \frac{2}{3} & 0 & 0 \end{array}]}^{T}$
111	${[\begin{array}{l} 1 & 0 & 0 \end{array}]}^{T}$	4/3	${[\begin{array}{l} \frac{4}{3} & 0 & 0 \end{array}]}^{T}$

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在接收端,如何从探测器输出信号中正确检测出发送端发送的信号是关键。目前,常用的方法是最大似然(ML)译码算法。ML译码算法通过穷尽搜索方式来检测激活激光器的索引和调制符号,即对所有可能的发送符号进行遍历搜索,寻找欧氏距离最小时的激光器索引和调制符号,它们便是当前时刻系统最有可能激活的激光器索引和发送的调制符号。其准则为

({\hat{x}}_{Laser}, {\hat{x}}_{PAM}) = \underset{x, l}{argmin} ‖ Y - ηHx ‖_{F}^{2}, (8)

式中: ${\hat{x}}_{Laser}$ 和 ${\hat{x}}_{PAM}$ 分别代表检测到激活激光器的索引和发送的调制符号。最后,检测出的激活激光器索引和调制符号经映射表1进行逆映射,即可恢复出原始信息。假设此时ML检测出的激活激光器索引为3,PAM调制符号为2/3,则输入的原始比特为100。

3 误码率分析

在F-OGSM星座空间中,传输信号星座点间的欧氏距离是系统误码率的决定性因素,可通过联合界技术获得F-OGSM误码率的理论上界。假设接收端已知信道状态矩阵H,则发送符号x_i被错误检测为符号x_j的成对错误概率为

\begin{array}{r} P (x_{i} \to x_{j} |H) = & P (‖ Y - ηH x_{i} ‖_{F}^{2} > ‖ Y - ηH x_{j} ‖_{F}^{2}) = P (\frac{2}{η} Y^{T} H (x_{j} - x_{i}) > ‖ H x_{j} ‖_{F}^{2} - ‖ H x_{i} ‖_{F}^{2}), (9) \end{array}

将(6)式代入(9)式可得

P (x_{i} \to x_{j} |H) = P (\frac{2}{η} n^{T} H (x_{j} - x_{i}) > ‖ H (x_{j} - x_{i}) ‖_{F}^{2}) = P (D > ‖ H (x_{j} - x_{i}) ‖_{F}^{2}), (10)

式中: $D \underset{=}{def} \frac{2}{η} n^{T} H (x_{j} - x_{i})$ 是服从均值E(D)=0、方差 $Var (D) = \frac{4 σ_{n}^{2}}{η^{2}} ‖ H (x_{j} - x_{i}) ‖_{F}^{2}$ 的高斯随机变量。因此,(10)式能够写为

P (x_{i} \to x_{j} |H) = Q (\frac{η}{2 σ_{n}} ‖ H (x_{j} - x_{i}) ‖_{F}), (11)

式中: $Q (\cdot) = \frac{1}{2} erfc (\cdot / \sqrt[]{2})$ ,将其代入(11)式可得

P (x_{i} \to x_{j} |H) = \frac{1}{2} erfc [\sqrt[]{\frac{η^{2}}{8 σ_{n}^{2}} ‖ H (x_{j} - x_{i}) ‖_{F}^{2}}] 。 (12)

所以,通过联合界技术可以获得采用ML检测算法时,F-OGSM系统的理论误码率上界为

R_{BE} \leq \frac{1}{2^{R F ⁃ OGSM} \times R_{F ⁃ OGSM}} \overset{2 R F ⁃ OGSM}{\sum_{i = 1}} \overset{2 R F ⁃ OGSM}{\sum_{j = 1, j \neq i}} d_{H} (x_{i}, x_{j}) P (x_{i} \to x_{j} |H) = \frac{1}{2^{R F ⁃ OGSM + 1} \times R_{F ⁃ OGSM}} \overset{2 R F ⁃ OGSM}{\sum_{i = 1}} \overset{2 R F ⁃ OGSM}{\sum_{j = 1, i \neq j}} d_{H} (x_{i}, x_{j}) erfc (\sqrt[]{\frac{η^{2}}{8 σ_{n}^{2}} ‖ H (x_{j} - x_{i}) ‖_{F}^{2}}), (13)

式中:2^R^F-OGSM表示F-OGSM系统中所有可能的发送符号集合;d_H(x_i,x_j)表示发送符号x_i和检测符号x_j之间的汉明距离。观察(13)式不难发现,F-OGSM系统的误码率R_BE与信道状态矩阵H和传输速率R_F-OGSM等有关。在R_F-OGSM一定的情况下,H越大,F-OGSM系统的误码率R_BE越小。

4 仿真分析及结果

在总功率不变,且接收端已知信道状态信息的条件下,利用蒙特卡罗仿真分析了不同F-OGSM系统的性能,并与空间脉冲幅度调制(SPAM)、广义空间脉冲幅度调制(GSPAM)等方案进行了对比。其结果如图2~6所示。此时的仿真条件为:假设每个激活激光器的功率平均分配,接收端采用ML检测算法,闪烁指数 $σ_{SI}^{2}$ =0.6,光电转换效率η=0.5,GSPAM只激活两个激光器。

4.1 F-OGSM误码性能

图2为采用激光器选择算法前F-OGSM系统的理论误码率和仿真误码率。其中,调制方式采用4-PAM。从仿真结果可看出:1)当信噪比较低时,F-OGSM系统的实际误码率低于理论上界,而当信噪比较大时,二者基本重合。2)当PAM的调制阶数相同时,增加激光器的数目可提高F-OGSM系统的传输速率,但会带来误码性能的损失。当误码率为1×10^-3时,相对于3×8的F-OGSM系统而言,4×8 F-OGSM系统所需信噪比虽然损失了2 dB,但其传输速率增加了1 bpcu。3)随着探测器数目的增加,F-OGSM系统的误码性能逐渐变好,这说明接收分集效果明显。

图 2. 采用激光器选择算法前F-OGSM系统的理论误码率和仿真误码率

Fig. 2. Analytical and simulated R_BE of F-OGSM system before using laser selection algorithm

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图3为传输速率相同时不同F-OGSM系统的误码率。其中,传输速率为5 bpcu。从仿真结果可看出:在传输速率相同的情况下,增加激光器的数量(即降低PAM的调制阶数)会改善采用激光器选择算法前后两种F-OGSM系统的误码性能。相对于采用激光器选择算法前的F-OGSM系统而言,采用激光器选择算法后F-OGSM系统误码性能的改善更为明显,而且激光器数量越多,性能改善的程度越明显。当误码率为1×10^-3时,采用激光器选择算法后,2×4 F-OGSM和4×4 F-OGSM系统所需信噪比分别改善了约3 dB和6 dB。这是因为激光器选择算法的引入充分利用了性能较好的信道,故在提高F-OGSM系统传输速率的前提下,可显著改善系统的误码性能。

图 3. 传输速率相同时不同F-OGSM系统的误码率

Fig. 3. Bit error rate of F-OGSM system with the same data transmission rate

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4.2 不同OSM方案性能比较

为了较为全面地评价F-OGSM方案的性能,比较了F-OGSM和其他几种OSM方案的传输速率和误码性能,其结果如表2和图4~6所示。

表 2. 不同OSM方案的传输速率

Table 2. Transmission rate of different OSM schemes

OSM scheme	Transmission rate R /bpcu
SPAM	R_SPAM=lb N_t+lb L
GSPAM	R_GSPAM=floor $[lb (C_{N t}^{N u})]$ +lb L
F-OGSM	R_F-OGSM=N_t-1+lb L

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表2表示不同OSM方案的传输速率。从表中可看出:F-OGSM方案的传输速率随激光器数量呈线性增长,而SPAM和GSPAM的传输速率呈对数增长。图4给出了调制阶数L=4时不同OSM方案的传输速率。从图中可看出:F-OGSM方案的传输速率高于SPAM和GSPAM。当激光器数N_t=16时,SPAM和GSPAM方案可实现的传输速率分别为6 bpcu和8 bpcu,而F-OGSM方案可实现的传输速率为17 bpcu,明显提高了系统的传输速率。

图 4. L=4时不同OSM方案的传输速率比较

Fig. 4. Comparison of transmission rates of different OSM schemes with L=4

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图5表示传输速率相同时不同OSM方案的误码率。此时,传输速率为5 bpcu。从仿真结果可看出:1)当激光器数量相同、调制阶数不同时,在小信噪比的情况下,采用激光器选择算法前F-OGSM方案的误码率介于SPAM和GSPAM之间,在大信噪比的情况下,F-OGSM方案的误码率略低于SPAM和GSPAM。2)当调制阶数相同、激光器数量不同时,在小信噪比的情况下,F-OGSM方案的误码率略高于SPAM和GSPAM,在大信噪比的情况下,F-OGSM方案的误码率小于GSPAM方案,而略大于SPAM方案。3)采用激光器选择算法后F-OGSM方案的误码性能明显优于其他方案。在误码率为1×10^-3、L=4时,相比于8×4 SPAM和5×4 GSPAM方案,采用激光器选择算法后4×4 F-OGSM方案所需信噪比分别改善了5 dB和6 dB。同时,比SPAM和GSPAM方案分别节省4个和1个激光器。

图 5. 传输速率相同时不同OSM方案的误码率

Fig. 5. Bit error rate of different OSM schemes with the same transmission rate

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图6为不同OSM方案的误码率对比,此时,激光器和探测器的数量以及调制阶数均为4,SPAM和GSPAM可实现的传输速率速率为4 bpcu,F-OGSM可实现的传输速率为5 bpcu。从仿真结果可看出:1)采用激光器选择算法前F-OGSM方案的误码率略大于SPAM和GSPAM方案。相比于SPAM和GSPAM方案,当误码率为1×10^-3时, F-OGSM方案所需信噪比分别损失了2 dB和1 dB,但其传输速率增加了1 bpcu。2)采用激光器选择算法后F-OGSM方案的误码性能明显优于其他方案。相比于SPAM和GSPAM方案,当误码率为1×10^-3时,采用激光器选择算法后F-OGSM方案所需信噪比分别改善了4 dB和5 dB。

图 6. 相同参数下不同OSM方案的误码率

Fig. 6. Bit error rate of different OSM schemes with the same parameters

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5 结论

提出了一种完全光广义空间调制方案,其用于数据传输的激光器从仅激活一个激光器变化为激活多个甚至激活所有激光器,这使得传输速率与激光器数量呈线性比例关系,显著提高了系统的传输速率。同时,采用基于信道范数最大化的激光器选择算法后,F-OGSM方案的误码性能被明显改善。与现有的光空间调制相比,在相同的参数下,采用激光器选择算法前F-OGSM方案的误码率略高于SPAM和GSPAM方案,但其可实现的传输速率更高。采用激光器选择算法后F-OGSM方案的误码性能明显优于其他方案。当激光器和探测器的数量以及调制阶数均为4,误码率为1×10^-3时,相比于SPAM和GSPAM方案,采用激光器选择算法后F-OGSM方案所需信噪比分别改善了4 dB和5 dB。由此可见,F-OGSM系统在保证误码性能的基础上,有效提高了空间资源的利用率,并为实现大容量、高速率的大气激光通信提供了一种良好的措施。但不足的是,基于信道范数最大化的激光器选择算法的采用,使得系统额外增加了一条无线链路。但相比于所带来的误码性能的提升,这条无线链路的增加还是值得的。除此之外,由于采用最大似然译码算法,当激光器数量较大或者调制阶数较高时,该算法的复杂度会增大,系统实现的难度会增大。因此,为了加大完全光广义空间调制的推广和应用,需对其译码算法进行进一步研究,以寻找计算复杂度较低的译码算法。

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1 引言

2 F-OGSM系统模型

图 1. 基于激光器选择的F-OGSM系统模型

Fig. 1. F-OGSM system model based on laser selection

2.1 激光器选择

2.2 信号的映射

2.3 信号的检测

表 1. 基于激光器选择算法的F-OGSM映射

Table 1. F-OGSM mapping based on laser selection algorithm

3 误码率分析

4 仿真分析及结果

4.1 F-OGSM误码性能

图 2. 采用激光器选择算法前F-OGSM系统的理论误码率和仿真误码率

Fig. 2. Analytical and simulated R_BE of F-OGSM system before using laser selection algorithm

图 3. 传输速率相同时不同F-OGSM系统的误码率

Fig. 3. Bit error rate of F-OGSM system with the same data transmission rate

4.2 不同OSM方案性能比较

表 2. 不同OSM方案的传输速率

Table 2. Transmission rate of different OSM schemes

图 4. L=4时不同OSM方案的传输速率比较

Fig. 4. Comparison of transmission rates of different OSM schemes with L=4

图 5. 传输速率相同时不同OSM方案的误码率

Fig. 5. Bit error rate of different OSM schemes with the same transmission rate

图 6. 相同参数下不同OSM方案的误码率

Fig. 6. Bit error rate of different OSM schemes with the same parameters

5 结论

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2 F-OGSM系统模型

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2.1 激光器选择

2.2 信号的映射

2.3 信号的检测

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Table 1. F-OGSM mapping based on laser selection algorithm

3 误码率分析

4 仿真分析及结果

4.1 F-OGSM误码性能

图 2. 采用激光器选择算法前F-OGSM系统的理论误码率和仿真误码率

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图 3. 传输速率相同时不同F-OGSM系统的误码率

Fig. 3. Bit error rate of F-OGSM system with the same data transmission rate

4.2 不同OSM方案性能比较

表 2. 不同OSM方案的传输速率

Table 2. Transmission rate of different OSM schemes

图 4. L=4时不同OSM方案的传输速率比较

Fig. 4. Comparison of transmission rates of different OSM schemes with L=4

图 5. 传输速率相同时不同OSM方案的误码率

Fig. 5. Bit error rate of different OSM schemes with the same transmission rate

图 6. 相同参数下不同OSM方案的误码率

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